月牙泉是一泓神奇的泉，自古以来就有传神的记载。敦煌遗书载：“鸣沙山中有井泉，沙至不掩……绵历古今，沙填不满。”古诗中则石：“四面风沙飞野马，一潭云影幻游龙”、“银沙四面山环抱，一池清水绿漪涟”。千百年来，河西不少名城重镇、关隘哨卡为风沙埋没，许多村庄农舍、植被、牛羊，为黄沙侵袭。

风沙吞噬了千年风华、百年繁荣。尽管鸣沙山“沙声吼如雷，声振数十里，月牙泉却不被淹没，依然澄碧依旧、月弦如故，这不能不称之为“神”。月牙泉奇就奇在她千百年不枯不竭。狂暴的沙漠和静谧的清泉本是不共戴天，难以共存的，更何况处在暴热、干燥、蒸发量极大的沙漠气候的烘烤之中，沙和泉却能悖世之惯例，相克相生，沙不填、泉不枯，如此神奇景观，还得归功于自然的造化。

月牙泉位于鸣沙山沙峰漠谷间的小盆地中，为沙山环抱，南北最宽五十四米，东西长近三百米，泉沿向南凹，向北凸，向东西两端逐渐变窄变尖，水面形状酷似一弯新月，泉水弓背的一面（北面）距泉边十多米处，是高耸二百多米、峰峦陡峭的沙山主峰。

南面是一片距水面几米高的沙土台地，过去台地上有寺院庙宇、殿堂道观百余所，楼阁亭台鳞次栉比，岸边沙枣树、榆树、杨树、红柳蔚然成林，景致壮观而幽雅，有些地方还种植庄稼，足见台地之广大。台地后面也是一座高大的沙山，与主峰遥遥相对；东西两面月牙尖岸则是逐渐高出水面的宽悯阔平缓之沙垄，起伏延伸。

月牙泉常盈不枯，恒久生存，还由于泉底有逆断层储水构造，属典型的古河湾风蚀残留湖，处在风蚀凹地和新月形沙丘间，也叫风成湖。以前鸣沙山中还有几个储水小湖，但都和古河道的大部分一起被流沙埋没，惟月牙泉这片残留河湾地势较高，河流渗漏的地下水汇集于此，又受到周围特殊地形地势的保护，得以幸存。

其水源来自鸣沙山下含水层位置较高的地下潜流，一般不受外界气候环境的影响，水量稳定，而月牙泉处在古河道河湾残留形成的湖盆洼地中，离潜水较近，容易接受地下水的补给。所以，水面虽小，但底部水路畅通，涟漪荡漾。

敦煌历来西南风较多，刮西风时，由于泉附近比较潮湿且以前有植被，近处沙坡低缓起伏，而较远处又为高山所围，因之沙刮不起来，而远处的沙又吹不到泉边；起南风时，泉南有广阔的高台及树木、建筑阻隔，沙子很难落入水中，同时还把北面山脚流泻下来的沙吹卷到鸣沙山上，从而防止了北山脚沙子堆积拥向月牙泉。

起北风时，主峰另一面的沙子飞速地沿月环形沙丘向山梁上滚动，沙子沿山梁上滚，速度迅急，动能很大，所以吹到山背的沙子速度极快，而靠月牙泉一边主峰坡度极陡，山脚距泉沿近而山高，因之沙子从山脊骤然飞起，凌空而过，飞越月牙泉，落到对岸。风越大，沙子落下距泉越远，而山下因有主峰为屏，几乎无风。这就是“虽遇烈风而泉不为所掩”及“沙挟风而飞响，泉映月而无尘”的原因所在。凡到过月牙泉的人，无不为泉不为风吹、不为沙填，纤尘不染的奇妙神秘的景观惊呼、赞叹。可以说月牙泉得天独厚的地理环境，就是大自然赋予它最好的保护神。